CN102343674A - 具有柔性壁和仿鲨鱼皮微沟槽的复合减阻蒙皮的制作方法 - Google Patents

具有柔性壁和仿鲨鱼皮微沟槽的复合减阻蒙皮的制作方法 Download PDF

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Abstract

一种具有柔性壁和仿鲨鱼皮微沟槽的复合减阻蒙皮的制作方法，该方法有三大步骤：步骤一：制备阴模板A；步骤二：制备阴模板B；步骤三：微塑铸压印制作复合减阻蒙皮。采用本发明的塑铸压印复制方法可以对鲨鱼表皮形貌和微米柱阵列同时进行复制，得到的复合减阻蒙皮同时具有柔性壁减阻和鲨鱼微沟槽，复合减阻率高，具有较强的实用性和可操作性；用本方法制备的复合减阻蒙皮工艺简单，成本低廉，它在生物仿生技术领域里具有较好的实用价值和广阔的应用前景。

Description

具有柔性壁和仿鲨鱼皮微沟槽的复合减阻蒙皮的制作方法
技术领域
本发明涉及一种具有柔性壁和仿鲨鱼皮微沟槽的复合减阻蒙皮的制作方法，更特别地说，是指一种采用微压印塑铸技术制造出具有柔性壁和逼真鲨鱼鳞片沟槽结构的仿生复合减阻表面。属生物仿生技术领域。
背景技术
日益严峻的能源问题使得节能减排成为当今社会的迫切需求。各种减阻技术如减阻剂减阻、柔性壁减阻、疏水减阻等能够有效减少航行器阻力、提高速度、节省能源，对于国民经济和国防安全具有重要的意义。
以“鲨鱼皮效应”著称的鲨鱼经过不断自适应、自学习和自组织而具有能对外部流体介质进行合理调控的非光滑沟槽减阻表面。通过热压印、微塑铸、微电铸等工艺制作出的仿鲨鱼皮减阻蒙皮可以有效的降低船舶、水下航行器等的表面摩擦力。
传统的仿鲨鱼皮减阻技术模仿鲨鱼皮鳞片上的微沟槽结构，然而，在蒙皮制造过程中存在成形质量差、成形效率低等问题；并且这种单一减阻模式的减阻率不高，适用的速度范围很窄。为此，本发明将柔性壁减阻与仿鲨鱼皮微沟槽减阻进行了复合，制备了同时具有柔性壁减阻功能和鲨鱼皮沟槽减阻功能的复合减阻蒙皮。
微压印塑铸是在微纳米尺度下对结构图案同时进行微复制和纳复制的成本低而速度快的方法。其原理是将预聚体在粘性较小、流动性较强的液体状态下浇铸在模板表面，然后通过施加一定压力使预聚体填充到模板上的凹型区域，从而实现结构图案的复制转移。
发明内容
1、目的：本发明的目的是提供一种具有柔性壁和仿鲨鱼皮微沟槽的复合减阻蒙皮的制作方法，它克服了现有技术的不足，该蒙皮上同时有鲨鱼鳞片微沟槽和微柱阵列，将柔性壁减阻与仿鲨鱼皮微沟槽减阻进行了复合，是一种新型的复合减阻蒙皮。
2、技术方案：本发明一种具有柔性壁和仿鲨鱼皮微沟槽的复合减阻蒙皮的制作方法，该方法具体步骤如下：
步骤一：制备阴模板A
(A)将一外形尺寸为200×200×20mm的金属板料机械抛光后，分别超声酒精清洗和超声蒸馏水清洗各5-10min；
(B)采用微细加工技术在上述金属板上加工出一定倾斜度、孔径、孔深和孔间距的孔阵列；步骤二：制备阴模板B
(A)裁取鲨鱼皮，分别用清水和去离子水冲洗3-5遍，完成鲨鱼皮的清洗；
(B)将清洗后的鲨鱼皮完全浸泡在2.5％的戊二醛溶液中，在4℃的恒温环境中放置6-8h，完成鲨鱼皮的固定；
(C)将固定后的鲨鱼皮先用浓度为4％磷酸缓冲液漂洗10min，再用清水和去离子冲洗5遍，然后依次浸泡于50％的乙醇15min、75％的乙醇15min、95％的乙醇15min、100％的乙醇10min，完成鲨鱼皮的梯度脱水；
(E)将脱水后的鲨鱼皮放在60℃的烘箱中烘5-7h，直至鲨鱼皮完全干燥，从而制成了鲨鱼皮样本；
(F)将聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚体与固化剂按10～20∶1比例混合、搅匀，然后在真空干燥箱中保持真空度＜0.1bar的条件下脱气20min；
(G)将上步骤中的PDMS预聚体均匀涂覆在鲨鱼皮样本上形成阴模预成型体，涂覆PDMS预聚体的厚度为1.5～3mm，并再次在真空干燥箱中保持真空度＜0.1bar的条件下脱气20min；(H)常温下固化24h，脱模即可得到鲨鱼皮形貌的阴模板B；
步骤三：微塑铸压印制作复合减阻蒙皮
(A)采用PDMS预聚体作为复合蒙皮的材料，称取预定质量比的PDMS预聚体和固化剂搅拌均匀后进行预脱气，将搅拌过程中混入的空气排出；
(B)在阴模板A、B上分别涂覆脱模剂，然后将上一步得到的PDMS预聚体浇注到阴模板A上，达到1.5～3mm，固化30min后在上面分别放上阴模板B模板和重物板，再次在真空干燥箱中保持真空度＜0.1bar的条件下脱气20min，将各接触面间贮存的空气排出；
(C)在室温下完全固化、脱模，即得到复合减阻蒙皮。
其中，步骤一中在金属板上加工孔阵列的倾斜度、孔径、孔深和孔间距分别是：倾斜度15°～30°，孔深500～2000μm，孔径100～1000μm，孔间距(相邻两孔圆心间距离)100～1000μm；
其中，步骤二、三中的固化剂是指与该型号PDMS配套购来的的固化剂；
其中，步骤三中的脱模剂是指三甲基氯硅烷即(CH3)3SiCl；
其中，步骤三中采用PDMS预聚体作为复合蒙皮的材料，称取PDMS预聚体和固化剂的质量比是10～20∶1；
3、优点及功效：本发明具有柔性壁和仿鲨鱼皮微沟槽的复合减阻蒙皮的制作方法的优点：(1)制备复合减阻蒙皮时所加压印力是重物板的自重量，其形貌复制成型可控；(2)对塑铸压印模板采用抽真空处理，使阴模板A、B与复形板的接触无空气存在，解决了空隙造成的复制精度降低问题；(3)采用本发明的塑铸压印复制方法可以对鲨鱼表皮形貌和微米柱阵列同时进行复制，具有较强的实用性和可操作性；(4)采用本发明制得复合减阻蒙皮同时具有柔性壁减阻和鲨鱼微沟槽，复合减阻率高；(5)复合减阻蒙皮制作工艺简单，成本低廉。
附图说明
图1是本发明制作复合减阻蒙皮的流程框图。
图2是阴模板A清洗铝板示意图。
图3是阴模板A机械抛光示意图。
图4是阴模板A电火花加工示意图。
图5是制作阴模板B中浇注PDMS示意图。
图6是制作阴模板B中真空脱气示意图。
图7是制作阴模板B中PDMS固化示意图。
图8是阴模板B弹性脱模示意图。
图9阴模板A、PDMS预聚体、阴模板B与重物板的装配示意图。
图10是复合减阻蒙皮的断面示意图。
图11是光滑蒙皮、仿鲨鱼皮微沟槽减阻蒙皮以及复合减阻蒙皮的阻力曲线示意图。
图中符号说明如下：
1  气泡；2  PDMS预聚体；3  鲨鱼皮；4  重物板；5  阴模板B；
6  阴模板A；7  仿鲨鱼皮微沟槽表面；8  柔性柱阵列。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
见图1，本发明具有柔性壁和仿鲨鱼皮微沟槽的复合减阻蒙皮的制作方法，该方法具体步骤如下：
步骤一：制备阴模板A 6
(A)将如图2中的厚2cm的金属板用砂纸机械抛光，抛光后如图3所示，然后分别用丙酮、乙醇、等离子水各超声清洗5min；
(B)将上步骤中得到的干净金属板通过电火花高速小孔机分别加工倾斜度为15°，孔深1000μm，孔径250μm，孔间距(相邻两孔圆心间距离)500μm的群孔阵列，如图4所示。阴模板A 6带有群孔阵列的一面称为阴模板A6的正面。
步骤二：制备阴模板B 5
(A)将剪切下来的鲨鱼皮3分别用清水和去离子水冲洗3遍，去除鲨鱼皮3表面附着的粘液、泥沙、血污等杂质，得到了表面清洁的鲨鱼皮3；
(B)在通风柜中将清洗后的鲨鱼皮3完全浸泡在2.5％的戊二醛溶液中，然后在4℃的恒温环境中放置7h，从而完成鲨鱼皮3的固定；
(C)将鲨鱼皮3固定完毕后需先用浓度为4％磷酸缓冲液漂洗10min，再用清水和去离子冲洗5遍，冲洗掉了附着在上面的残留戊二醛溶液；
(D)依次选取50％乙醇15min、75％乙醇15min、95％乙醇15min、100％乙醇10min对鲨鱼皮3进行梯度脱水；
(E)将鲨鱼皮3放在60℃的烘箱中烘6h，直至鲨鱼皮3完全干燥；
(F)将PDMS预聚体2及其固化剂按质量比10∶1的比例混合、搅匀，然后在室温下在真空干燥箱中保持真空度＜0.1bar的条件下脱气20min；
(G)如图5所示将PDMS预聚体2涂覆在鲨鱼表皮3上形成阴模预成型体，涂覆厚度为1.5mm～3mm，然后将阴模预成型体再次放入真空干燥箱中保持真空度＜0.1bar的条件下真空脱气20min，将气泡1排出，如图6所示；
(H)在常温下固化24h后脱模便得到高逼真仿鲨鱼皮阴模板B 5，固化与脱模过程分别如图7、8所示。阴模板B 5带有图案的一面称为阴模板B 5的正面。
步骤三：微塑铸压印制作复合减阻蒙皮
(A)采用预聚体2作为复合蒙皮的材料，由于PDMS预聚体2和固化剂两者的质量比决定了固化时间，因此应保证在可固化的基础上，尽量减小固化剂质量比，延长固化时间，以利于气泡1排出；
(B)称取质量比为15∶1的PDMS预聚体2与固化剂，搅拌均匀后在真空干燥箱内进行预脱气，将搅拌过程中混入的空气排出，保持真空度＜0.1bar，时间约20min；
(C)在阴模板A6、阴模板B5上分别涂覆脱模剂三甲基氯硅烷，然后将上一步骤中得到的PDMS预聚体2浇注到浇注到阴模板A6的正面直到厚度达2mm，固化30min后在上面分别放上阴模板B 5和0.2kg的重物板4，阴模板B 5的正面与PDMS预聚体2接触，阴模板A6、PDMS预聚体2、阴模板B5与重物板4的装配关系如图9所示，在真空箱中再次真空脱气5min，将各接触面间贮存的空气排出；
(D)将上步骤中的微塑铸压印模板在室温下完全固化、脱模，即可得到弹性复合减阻蒙皮，如图10所示，可见仿鲨鱼皮微沟槽表面7和柔性柱阵列8。
实施例1：
原材料的选取：所选鲨鱼是短尾真鲨，鲨鱼实验样本购自北京市水产公司，初始样本呈冷冻态，体长1.4m，体重23Kg；2.5％的戊二醛溶液、不同浓度的乙醇、丙酮、去离子水、三甲基氯硅烷等化学试剂均购买于北京奥利化学试剂有限公司；真空干燥箱选用上海一恒科技有限公司生产的PZT-6020智能型真空干燥箱。
步骤一：制备阴模板A6
(A)将厚2cm的纯铝板(纯度＞99.00％)用砂纸机械抛光，然后分别用丙酮、乙醇、等离子水各超声清洗5min；
(B)将上步骤中得到的铝板通过电火花高速小孔机分别加工倾斜度为15°，孔深1000μm，孔径250μm，孔间距(相邻两孔圆心间距离)500μm的群孔阵列。阴模板A6带有群孔阵列的一面称为阴模板A6的正面。
步骤二：制备阴模板B 5
(A)将剪切下来的鲨鱼皮3分别用清水和去离子水冲洗3遍，去除鲨鱼皮3表面附着的粘液、泥沙、血污等杂质，得到了表面清洁的鲨鱼皮3；
(B)在通风柜中将清洗后的鲨鱼皮3完全浸泡在2.5％的戊二醛溶液中，然后在4℃的恒温环境中放置7h，从而完成鲨鱼皮3的固定；
(C)将鲨鱼皮3固定完毕后需先用浓度为4％磷酸缓冲液漂洗10min，再用清水和去离子冲洗5遍，冲洗掉了附着在上面的残留戊二醛溶液；
(D)依次选取50％乙醇15min、75％乙醇15min、95％乙醇15min、100％乙醇10min对鲨鱼皮3进行梯度脱水；
(E)将鲨鱼皮3放在60℃的烘箱中烘6h，直至鲨鱼皮3完全干燥；
(F)将Sylgard184型PDMS预聚体2(添加黑色颜料)及其固化剂按质量比10∶1的比例混合、搅匀，然后在室温下在真空干燥箱中保持真空度＜0.1bar的条件下脱气20min；
(G)将PDMS预聚体2涂覆在鲨鱼表皮3上形成阴模预成型体，涂覆厚度为2mm，然后将阴模预成型体再次放入真空干燥箱中保持真空度＜0.1bar的条件下真空脱气20min；
(H)在常温下固化24h后脱模便得到高逼真仿鲨鱼皮阴模板B 5。阴模板B 5带有图案的一面称为阴模板B 5的正面。
步骤三：微塑铸压印制作复合减阻蒙皮
(A)仍然选用Sylgard184型PDMS预聚体2作为复合蒙皮的材料，由于PDMS预聚体2和固化剂两者的质量比决定了固化时间，因此应保证在可固化的基础上，尽量减小固化剂质量比，延长固化时间，以利于气泡1排出；
(B)称取质量比为15∶1的Sylgard184型PDMS预聚体2与配套的固化剂，搅拌均匀后在真空干燥箱内进行预脱气，将搅拌过程中混入的空气排出，保持真空度＜0.1bar，时间约20min；
(C)在阴模板A6、阴模板B5上分别涂覆脱模剂三甲基氯硅烷，然后将上一步骤中得到的PDMS预聚体2浇注到浇注到阴模板A6的正面直到2mm厚度，固化30min，后在上面分别放上阴模板B 5和0.2kg的重物板，阴模板B 5的正面与PDMS预聚体2接触，阴模板A6、PDMS预聚体2、阴模板B5与重物板4的装配关系如附图9，在真空箱中再次真空脱气5min，将各接触面间贮存的空气排出；
(D)将上步骤中的微塑铸压印模板在室温下完全固化、脱模，即可得到弹性复合减阻蒙皮；(E)分别利用200×100×2mm3的复合减阻蒙皮、光滑蒙皮以及仿鲨鱼皮沟槽蒙皮在水洞中测试三者阻力，最后得到三者的阻力曲线，如图11所示。可以看出，在3-gm/s的水流速度下，复合减阻蒙皮的阻力最小，仿鲨鱼皮微沟槽蒙皮的阻力次之，光滑蒙皮的阻力最大，故复合减阻蒙皮的减阻率优于单一仿鲨鱼皮微沟槽蒙皮的减阻率。

Claims (4)

1.具有柔性壁和仿鲨鱼皮微沟槽的复合减阻蒙皮的制作方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：
步骤一：制备阴模板A
(A)将一外形尺寸为200×200×20mm的金属板料机械抛光后，分别超声酒精清洗和超声蒸馏水清洗各5-10min；
(B)采用微细加工技术在上述金属板上加工出倾斜度、孔径、孔深和孔间距的孔阵列；
步骤二：制备阴模板B
(A)裁取鲨鱼皮，分别用清水和去离子水冲洗3-5遍，完成鲨鱼皮的清洗；
(B)将清洗后的鲨鱼皮完全浸泡在2.5％的戊二醛溶液中，在4℃的恒温环境中放置6-8h，完成鲨鱼皮的固定；
(C)将固定后的鲨鱼皮先用浓度为4％磷酸缓冲液漂洗10min，再用清水和去离子冲洗5遍，然后依次浸泡于50％的乙醇15min、75％的乙醇15min、95％的乙醇15min、100％的乙醇10min，完成鲨鱼皮的梯度脱水；
(E)将脱水后的鲨鱼皮放在60℃的烘箱中烘5-7h，直至鲨鱼皮完全干燥，从而制成了鲨鱼皮样本；
(F)将聚二甲基硅氧烷即PDMS预聚体与固化剂按10～20：1比例混合、搅匀，然后在真空干燥箱中保持真空度＜0.1bar的条件下脱气20min；
(G)将上步骤中的PDMS预聚体均匀涂覆在鲨鱼皮样本上形成阴模预成型体，涂覆PDMS预聚体的厚度为1.5～3mm，并再次在真空干燥箱中保持真空度＜0.1bar的条件下脱气20min；
(H)常温下固化24h，脱模即可得到鲨鱼皮形貌的阴模板B；
步骤三：微塑铸压印制作复合减阻蒙皮
(A)采用PDMS预聚体作为复合蒙皮的材料，称取预定质量比的PDMS预聚体和固化剂搅拌均匀后进行预脱气，将搅拌过程中混入的空气排出；
(B)在阴模板A、B上分别涂覆脱模剂，然后将上一步得到的PDMS预聚体浇注到阴模板A上，达到1.5～3mm，固化30min后在上面分别放上阴模板B模板和重物板，再次在真空干燥箱中保持真空度＜0.1bar的条件下脱气20min，将各接触面间贮存的空气排出；
(C)在室温下完全固化、脱模，即得到复合减阻蒙皮。
2.根据权利要求1所述的具有柔性壁和仿鲨鱼皮微沟槽的复合减阻蒙皮的制作方法，其特征在于：步骤一中所述的采用微细加工技术在金属板上加工孔阵列的倾斜度、孔径、孔深和孔间距分别是：倾斜度15°～30°，孔深500～2000μm，孔径100～1000μm，孔间距即相邻两孔圆心间距离100～1000μm。
3.根据权利要求1所述的具有柔性壁和仿鲨鱼皮微沟槽的复合减阻蒙皮的制作方法，其特征在于：步骤三中所述的的脱模剂是指三甲基氯硅烷即(CH3)3SiCl。
4.根据权利要求1所述的具有柔性壁和仿鲨鱼皮微沟槽的复合减阻蒙皮的制作方法，其特征在于：步骤三中所述的采用PDMS预聚体作为复合蒙皮的材料，称取PDMS预聚体和固化剂的质量比是10～20∶1。
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